Multi-functionalization of lignin for fire retardancy

No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2024-05-21
Department
Major/Subject
Fibre and Polymer Engineering
Mcode
CHEM3024
Degree programme
Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering
Language
en
Pages
78+3
Series
Abstract
Wood is an ecological, durable, and pleasant building material and its use in public buildings is becoming increasingly popular. However, regulations related to its fire safety increase the requirements for its use, and to meet the criterial, wood structures must be treated for fire protection. Current fire retardants on the market have been suspected of being harmful to people and the environment. The effectiveness of intumescent flame retardant coatings is based on the expansion and charring of the coating due to the heat of the flame. The resulting porous char acts as an insulator protecting the material from fire propagation. Intumescent flame retardants contain a carbon source as a functional key component. Lignin, a by-product of the pulping industry, is a thermally stable biomaterial that has exhibited charring potential flame retardant applications. This study considered the chemical interplay of different components in intumescent flame retardants and the use of lignin in this application. The goal of the work was to explore non-toxic and bio-based alter-natives for the fire protection of wood. The experimental part of the work involved the preparation and testing of lignin-based flame retardant coating on wood sur-face. The methods included cone calorimetry, vertical flame testing, thermogravimetric analysis and an in-house method for examining the expansion of the formulations. It was found that a flame retardant made from aminated lignin reduced the heat release rate of burning wood better than unmodified kraft lignin, but the performance of the lignin-based formulations did not reach the level of corresponding control samples made from established ingredients. Achieving volumetric expansion with a lignin-based formulations was proven to be challenging, though aminated lignin showed some potential for expansion. The effectiveness of an alternative bio-based concept-level coating was additionally investigated. The flame-retardant performance of a coating consisting of ammonium phytate and lignin was comparable to commercial flame retardant paint, and the sample slowed time to ignition more efficiently than commercial paint. Ammonium phytate was found to exhibit potential as a raw material for an intumescent flame retardant coating, and its functionality would not require the use of harmful melamine.

Puu on ekologinen, kestävä ja miellyttävä rakennusmateriaali, jonka käyttö myös julkisissa rakennuksissa on aiempaa suositumpaa. Paloturvallisuutta koskevat asetukset kuitenkin lisäävät vaatimuksia puun käytölle, ja täyttääkseen kriteerit, puurakenteille tulee suorittaa palosuojauskäsittely. Nykyisten markkinoilla olevien palosuoja-aineiden on epäilty olevan haitallisia ihmisille ja ympäristölle. Paisuvien palosuojapinnoitteiden teho perustuu pinnoitteen laajenemiseen ja hiiltymiseen liekin lämmön vaikutuksesta. Muodostuva huokoinen hiiltymä toimii eristeenä, joka suojaa materiaalia palon etenemiseltä. Paisuva palosuoja-aine sisältää keskeisenä toiminnallisena raaka-aineena hiilen lähteen. Selluteollisuuden sivutuotteena syntyvä ligniini on termisesti vakaata ainetta, joka on aiempien tutkimusten perusteella osoittautunut potentiaaliseksi biopohjaiseksi hiilenlähteeksi palosuojasovelluksissa. Tässä työssä syvennyttiin tarkastelemaan paisuvan palosuoja-aineen eri raaka-aineiden kemiallista vuorovaikutusta ja ligniinin käyttöä kyseisessä sovelluksessa. Tarkoituksena oli löytää myrkyttömiä ja biopohjaisia vaihtoehtoja puun palosuojaukselle. Työn kokeellisessa osassa valmistettiin ligniinipohjaisia palosuoja-pinnoitteita ja tutkittiin niiden paisumista ja palosuojaustehoa puupinnalla. Tutkimusmenetelmiin sisältyi kartiokalorimetrikoe, pystyliekkikoe, termogravimetrinen analyysi sekä talon sisäinen turpoamiskoe. Aminoidusta ligniinistä valmistetun palosuoja-aineen havaittiin vähentävän palavan puun lämmönvapautumista paremmin kuin käsittelemättömän kraft-ligniinin, mutta biopohjaisten näytteiden teho ei yltänyt vastaavan vakiintuneista ainesosista valmistetun kontrollinäytteen tasolle. Volumetrisen paisumisen saavuttaminen ligniinipohjaisella näytteellä osoittautui haastavaksi, mutta aminoitu ligniini osoitti jonkin verran paisumispotentiaalia. Myös vaihtoehtoisen biopohjaisen konseptitasoisen pinnoitteen tehoa tutkittiin. Ammoniumfytaatista ja ligniinistä koostuvan pinnoitteen palosuojausteho oli kaupallista palosuoja-ainetta vastaava, ja näyte hidasti syttymistä jopa kaupallista maalia paremmin. Ammoniumfytaatin todettiin osoittavan potentiaalia paisuvan palosuojapinnoitteen raaka-aineena ja sen toiminnallisuus ei vaadi haitallisen melamiinin käyttöä.
Description
Supervisor
Lipponen, Juha
Thesis advisor
Khan, Uddin
Keywords
intumescent flame retardant, fire protection of wood, lignin, IFR
Other note
Citation